JP2014140272A

JP2014140272A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014140272A
Application number: JP2013008378A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kuwabara; 靖桑原; Yuji Sunada; 裕司砂田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: JP6049468B2

Abstract

【課題】損失が増加するのを抑えつつ突入電流を抑制することが可能な電力変換装置を得ること。
【解決手段】本発明にかかる電力変換装置は、直流電圧を平滑する平滑コンデンサ６と、平滑コンデンサ６で平滑された後の直流電圧である母線電圧を変換してモーター１０駆動用の交流電圧を生成するインバータ回路８と、母線電圧に基づいてインバータ回路８の動作を制御するマイクロコンピュータ１２と、を備え、マイクロコンピュータ１２は、母線電圧が所定のしきい値を下回ったことを検出した場合、インバータ回路８によるモーター１０駆動用交流電圧の生成動作を停止させ、モーター１０で生成される回生電圧を使用して平滑コンデンサ６を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電圧を変換して任意の交流電圧を生成する電力変換装置に関し、特に、突入電流の抑制機能を有する電力変換装置に関する。

突入電流抑制機能を有している従来の電力変換装置においては、母線電圧が予め設定した差分電圧値まで低下した場合は突入電流防止リレーをＯＦＦし、この突入電流防止リレーと並列に接続されている突入電流防止抵抗を介して平滑コンデンサを充電し、平滑コンデンサが充電された後に突入電流防止リレーをＯＮして突入電流を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−７４８８４号公報

従来の電力変換装置における突入電流抑制では、母線電圧が低下した際に、突入電流防止リレーをＯＦＦして突入電流防止抵抗に電流を流すことにより、瞬時停電の発生に起因する突入電流を抑制している。そのため、突入電流を抑制する度に抵抗成分による損失が発生するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、損失が増加するのを抑えつつ突入電流を抑制することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサで平滑された後の直流電圧である母線電圧を変換してモーター駆動用の交流電圧を生成するインバータ回路と、前記母線電圧に基づいて前記インバータ回路の動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記母線電圧が所定のしきい値を下回ったことを検出した場合、前記インバータ回路によるモーター駆動用交流電圧の生成動作を停止させ、当該モーター駆動用交流電圧の供給先のモーターで生成される回生電圧を使用して前記平滑コンデンサを充電することを特徴とする。

本発明によれば、瞬時停電が発生した場合の突入電流抑制を電流抑制用の抵抗を使用して行う必要のない、低損失な電力変換装置を実現できる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示した電力変換装置は、交流電源１から供給された交流電圧をモーター１０駆動用の交流電圧に変換するものであり、整流回路３、突入電流防止リレー４、突入電流防止抵抗５、平滑コンデンサ６、母線電圧検出回路７、インバータ回路８およびマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）１２を備えている。

整流回路３は、主にダイオードブリッジで構成されており、ブレーカー２を介して交流電源１から供給された交流電圧を整流して直流電圧を生成する。平滑コンデンサ６は、整流回路３により整流された後の直流電圧を平滑する。整流回路３と平滑コンデンサ６の間には、平滑コンデンサ６の初期充電時の突入電流を抑制する突入電流防止抵抗５が接続され、さらに、この突入電流防止抵抗５の両端を短絡・開放するための突入電流防止リレー４が接続されている。インバータ回路８は、フリーホイールダイオード９とスイッチング素子１３を複数備えており、マイクロコンピュータ１２からの指令に従って各スイッチング素子１３をオンオフさせることにより、平滑コンデンサ６で平滑された直流電圧を変換してモーター１０駆動用の交流電圧を生成する。インバータ回路８の入力側（平滑コンデンサ６が接続されている側）には、平滑コンデンサ６の両端電圧である母線電圧をマイクロコンピュータ１２が検出するための母線電圧検出回路７が接続されている。なお、突入電流防止抵抗５および突入電流防止リレー４は、平滑コンデンサ６の初期充電時の突入電流を抑制できるのであれば、別の位置に配置してもよい。また、図示したように、直流電圧の供給を必要とする機器に対する電源として動作するＤＣ／ＤＣ電源１１を整流回路３の後段（出力側）に接続し、ＤＣ／ＤＣ電源１１は、整流回路３で生成された直流電圧を所定の直流電圧に変換してマイクロコンピュータ１２やインバータ回路８、図示を省略した機器に供給するようにしてもよい。

次に、電力変換装置の動作について説明する。

図１に示した構成の電力変換装置において、平滑コンデンサ６の初期充電時は、ブレーカー２をＯＮすることで交流電源１を入力し、整流回路３が入力電圧を整流する。このとき、突入電流防止リレー４はＯＦＦとし、整流回路３によって整流された直流電圧を突入電流防止抵抗５を介して平滑コンデンサ６に充電する。平滑コンデンサ６が充電された後は突入電流防止リレー４をＯＮして、電流経路を突入電流防止抵抗５から突入電流防止リレー４に切り換える。なお、突入電流防止リレー４の制御は例えばマイクロコンピュータ１２が行う。このように充電した母線電圧を、マイクロコンピュータ１２の指令によりインバータ回路８をスイッチングして、モーター１０を駆動し、駆動により消費した電力を常に交流電源１から平滑コンデンサ６に充電する。

上記の手順により平滑コンデンサ６の初期充電が完了し、駆動対象のモーター１０を駆動中の状態において瞬時停電等が発生した場合、交流電源１が消失するため、モーター１０の駆動により消費した電力を、交流電源１から平滑コンデンサ６に充電できなくなる。この時、母線電圧検出回路７によりマイクロコンピュータ１２に入力している母線電圧値が予め設定した電圧値まで低下すると、マイクロコンピュータ１２からインバータ回路８への駆動出力を停止する。すなわち、制御手段としてのマイクロコンピュータ１２は、インバータ回路８のスイッチング素子１３をスイッチングさせる制御を停止する。そして、この結果発生する、モーター１０からの回生電圧をインバータ回路８のフリーホイールダイオード９を介して平滑コンデンサ６に供給し、平滑コンデンサ６を充電する。図１では、瞬時停電が発生した場合の電流経路の一例を破線で示している。この充電動作により、瞬時停電など、ごくわずかな時間の停電から復帰した際の交流電源１と平滑コンデンサ６の電位差を小さくすることができ、交流電源１から整流回路３へ過大な突入電流が流れるのを抑制できる。

なお、マイクロコンピュータ１２は、インバータ回路８への駆動出力を停止してインバータ回路８の動作（スイッチング素子１３をスイッチングさせて直流電圧をモーター１０駆動用の交流電圧に変換する動作）を停止させた後、例えば、母線電圧がある一定値（動作復帰電圧とする）に達したことを検出した時点で動作を再開させる。また、インバータ回路８の動作を停止させてから一定時間が経過したにもかかわらず母線電圧が動作復帰電圧に到達しない場合、瞬時停電（交流電源１からの電圧供給が瞬間的に停止するケース）ではなく、例えば、意図的にブレーカー２がＯＦＦされるなど、長時間にわたって交流電源１からの電圧供給が停止する状態と判断し、突入電流防止リレー４をＯＦＦとする。

以上のように、本実施の形態の電力変換装置は、母線電圧（平滑コンデンサ６の両端電圧）がある一定値まで低下した場合、インバータ回路８によるモーター１０駆動用交流電圧の生成動作を停止し、その結果モーター１０から回生される電圧により平滑コンデンサ６を充電することとした。これにより、瞬時停電時に過大な突入電流が流れることを抑制することができ、整流回路３に使われるダイオードブリッジの破壊を防止できる。また、電流サージ耐力の低い安価なダイオードブリッジや、サージ耐力が低いが、損失の少ないＳｉＣ（シリコンカーバイド：炭化珪素）などのワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードブリッジを使用することができ、低コスト化や高効率化を実現できる。また、回生電圧により平滑コンデンサ６を充電してその両端電圧を高めているため、電源復帰時に突入電流防止抵抗５を介して平滑コンデンサ６を充電する必要が無くなり、その抵抗成分（突入電流防止抵抗５）による損失を低減することができる。さらに、瞬時停電中に回生電圧を使用して平滑コンデンサ６を充電するため、例えば、母線電圧からＤＣ／ＤＣ電源１１を生成する構成とした場合に、ＤＣ／ＤＣ電源１１の消失によるシステム瞬時停電耐力（ＤＣ／ＤＣ電源１１とこれを利用して動作している機器からなるシステムの瞬時停電耐力）を向上させることができる。平滑コンデンサ６を有さないケミコンレスのシステムにも応用可能である（システム瞬時停電耐力を向上させることができる）。

実施の形態２．
以上の実施の形態１では、回生電圧を使用して平滑コンデンサ６を充電するようにしたものであるが、回生電圧による電流経路である、インバータ回路８内のスイッチング素子１３を低損失なワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。これらのワイドバンドギャップ半導体を使用することにより、電圧降下を少なくすることができ、エネルギー効率を向上させることができる。

このように、本実施の形態の電力変換装置においては、インバータ回路８を構成しているフリーホイールダイオード９をワイドバンドギャップ半導体によって形成することとした。これにより、エネルギー効率のよい電力変換装置を実現できる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、モーター駆動用の交流電圧を生成する電力変換装置に適している。

１交流電源、２ブレーカー、３整流回路、４突入電流防止リレー、５突入電流防止抵抗、６平滑コンデンサ、７母線電圧検出回路、８インバータ回路、９フリーホイールダイオード、１０モーター、１１ＤＣ／ＤＣ電源、１２マイクロコンピュータ（ＭＣＵ）、１３スイッチング素子。

Claims

直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサで平滑された後の直流電圧である母線電圧を変換してモーター駆動用の交流電圧を生成するインバータ回路と、
前記母線電圧に基づいて前記インバータ回路の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記母線電圧が所定のしきい値を下回ったことを検出した場合、前記インバータ回路によるモーター駆動用交流電圧の生成動作を停止させ、当該モーター駆動用交流電圧の供給先のモーターで生成される回生電圧を使用して前記平滑コンデンサを充電することを特徴とする電力変換装置。
前記インバータ回路を形成するスイッチング素子としてワイドバンドギャップ半導体を使用することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。